管壳式换热器的失效、破坏后成因与控制

　　【冷水机】在各类换热器的制造与使用中，管壳式换热器占据着核心的地位，原因在于其耐高温高压、传热系数高、安装方便、结构紧凑、生产成本低等特点。同时，因为其结构的多样性以及应用要求的复杂性原因，从而引起换热器各种形式的失效情况。如：换热管与管板之间的连接处容易出现失效，筒体与管板之间的焊缝处也容易失效。换热管出现振动现象、热应力或是附加应力以及工作媒介的腐蚀性等情况均会导致换热器部分或是整体性的失效后果。

一、换热管与管板之间的连接

1.1机械碾压法。

机械轧制法一般会造成换热管过度膨胀或膨胀不足，换热管内壁容易出现加工硬化。如下图1所示，膨胀节主要用于抗拉脱性能和密封性能较高的环境，不能在高温环境下工作。当温差变化时，膨胀节处的残余应力会慢慢消失，降低了拉脱阻力和密封性能，导致换热管与管板连接失效。其优点在于膨胀节结构简单，有利于换热管的更换和修复。通常在设计压力不高于4.0 MPa，设计温度不高于300℃的条件下使用。

　　图1  胀接方式示意图
图1伸缩缝方式示意图。

1.2液压膨胀节。

液压胀接法使管板与换热管连接处的应力分布均匀，具有劳动强度低、生产效率高、密封性能好的优点，但对管板的管孔和管槽要求很高。

1.3爆破管膨胀。

爆破胀管是指利用爆炸时产生的径向力使换热管膨胀紧密，同时利用爆炸时产生的轴向力将管内残渣甩出管外。膨胀节法适用于无剧烈振动、温度波动过大、应力腐蚀倾向明显的场合。

1.4焊接方法。

当换热管与管板进行如下图2所示的焊接时，换热管与管板的焊接接头处会出现残余应力状态，造成应力腐蚀和腐蚀疲劳，换热管与管板的接头容易发生失效和泄漏。因此，在焊接过程中，应抛光管端，以去除焊接范围内的污染物。焊接方法不适合振动大、有缝隙腐蚀倾向的场合。

图2焊接方式示意图。

二。管壳式换热器失效损坏原因分析【/s2/

这是腐蚀管壳式换热器z*的常见失效形式。腐蚀z*的常见部位是换热管与管板的连接处，腐蚀的原因有:管壳侧工作介质的酸碱性具有腐蚀性，壳体或换热管内存在拉应力，换热管与管板之间存在间隙。以上所有情况都会加速腐蚀进程，导致换热器失效。

2.1工作介质腐蚀。

如果工作介质中溶解了一定量的氧、氮、氢、硫等元素，一般会造成换热器失效。选择合理的介质决定了换热器的使用寿命，针对不同的腐蚀性介质应选择相应的预防措施。比如利用回收的硝酸尾气作为热量的余热锅炉，由于硝酸尾气中的主要成分是氮化物，当其处于一定的温度和压力环境下时，氮、铁等许多其他合金元素会产生硬而脆的氮化物，导致钢材被氮化，最终力学性能下降。特别是在高温气体入口处，工作介质的腐蚀会导致管板表面、管板与换热管的连接处以及换热管的端面因氮化而在管板外发生泄漏。海洋环境中使用的设备面临着更加复杂的腐蚀条件，如吸氧腐蚀和海洋生物腐蚀。金属腐蚀还与海水含氧量、温度、PH、溶液成分、海水流速等因素有关。紫铜对海水流速的z*腐蚀敏感，B10铜合金对加入海砂后的冲蚀腐蚀也敏感。大多数铜合金在流动的海水中具有临界流速。比如海水流速超过4.5m/s时，B30铜合金的腐蚀速度非常快。铜合金在海水环境中也面临脱成分腐蚀。

2.2应力腐蚀。

应力腐蚀是一种具有广泛z*和严重z*的失效模式。基本条件有三个:(1)敏感材料，应力腐蚀主要发生在合金中，纯金属很少发生。(2)特定介质，如酸、碱、盐溶液、海水、工业大气、水蒸气等。(3)足够的拉应力。管壳式换热器热处理、焊接、加工过程中的残余应力，工况条件下设备外载荷引起的工作应力，温差引起的热应力，设备及部件安装装配引起的应力，腐蚀产物体积效应引起的应力等。因此，应及时消除应力腐蚀。

2.3缝隙腐蚀

间隙腐蚀是由于金属与非金属之间或金属与金属之间存在间隙而加速间隙内金属腐蚀，使间隙内介质处于停滞状态的局部腐蚀形式。缝隙腐蚀的条件是要有一定的缝隙，缝隙必须足够宽以使介质进入缝隙，足够窄以使介质停滞在缝隙中。对z*腐蚀敏感的裂纹宽度一般为0.025mm~0.1mm，如果换热管与管板按上图2所示焊接，管板与换热管之间存在缝隙，往往会导致缝隙腐蚀。因此，应及时改进制造工艺，避免出现缺口。

2.4腐蚀疲劳。

在腐蚀和循环载荷的协同作用下，经常发生腐蚀疲劳。在腐蚀环境中运行的设备应始终承受交变载荷，很少有实际部件只承受单向静载荷。腐蚀疲劳的危险程度比单纯的腐蚀或疲劳严重得多。因此，分析腐蚀疲劳损伤的原因和速度，进而评估设备的使用寿命或寻找有效的腐蚀疲劳断裂控制措施，以提高设备运行的可靠性。

2.5点腐蚀。

腐蚀发生在金属表面的小区域，并逐渐渗透到金属内部，而大多数其他表面不会受到腐蚀或有轻微腐蚀。点蚀的条件:(1)点蚀通常发生在表面有钝化膜的金属和合金上，或表面有阴极涂层的金属上。(2)腐蚀性卤素离子常与氧化剂共存。(3)对于给定的金属-介质系统，存在特定的临界电位，超过该电位会发生点蚀。

三。管壳式换热器失效的控制方法[/s2/]

3.1缩放。

管壳式换热器运行一定时间后，如果管壁结垢非常明显，传热能力会减弱，传热介质的出口温度会与z*最初设计的工艺参数要求不一致，管内径会越来越小，而流量会增加。压力伤害增加。此时，应采用常规流量检测、压力和温度等各种操作模式来定义结垢条件。

3.2腐蚀和磨损。

污垢、热交换介质、高流速和电化学等一系列原因会引起换热器壳体、换热管和外部的腐蚀和磨损。一般对壳体采用超声波测厚设备或其他无损测厚设备，通过外部检查和评估，确定壳体中能产生腐蚀和减薄的具体部位。通过涡流探伤分析了换热管开裂前的腐蚀和磨损情况，并对换热管壁厚减薄进行了详细分析。同时，还分析了换热管的缺陷深度，提前预防和控制换热器的失效。

3.3泄漏。

换热管会因腐蚀和诱发振动而开裂，管端会因腐蚀、高温蠕变和疲劳损伤而在换热管与管板的连接处泄漏。有效控制方法:在流体出口取样，分析其颜色、粘度和比重，测试管束的泄漏和损坏程度。

3.4振动。

换热管束会与泵和压缩机产生共振，旋转机械会产生直接的脉动冲击，流体会产生一定的振动。振动可以通过使用振动测试设备或振动声音来推断。

3.5内孔焊接技术。

一些热交换器在高温和腐蚀应力的环境中工作。当换热管和管板按上图2所示方式焊接时，管板和换热管内部会有间隙。同时，焊缝在高温下受到腐蚀性流体载荷的冲击，容易发生腐蚀开裂，大大缩短了设备的使用寿命。为了减少高温腐蚀性流体对管板焊缝造成的损伤，需要改进焊接工艺对其进行控制，优化管板与管束的连接形式。可选择对接焊缝形成对接接头或锁底接头的内孔焊接结构。对接焊缝形式对接接头内孔焊接形式如下图3所示。内孔焊接接头技术可以有效降低换热管与管板接头处的应力腐蚀和间隙腐蚀。

　　图3   管板形式示意图
图3管板形式示意图。

四.结论

通过以上分析，管壳式换热器的失效和损坏与工质、材料、设备结构、设备运行、流体负荷等多种因素有着内在联系。，这也是上述因素的共同作用。因此，在设计管壳式换热器时，应综合考虑材料选择、管板强度、换热管强度和稳定性、制造工艺、设备结构、设备运行和使用环境以及工质性质等多种影响因素，以有效控制管壳式换热器的失效。